Iterative reconstruction in CT : using mathematical model observers to determine low dose images' trustworthiness

La tomodensitométrie (TDM) est une technique d'imagerie pour laquelle l'intérêt n'a cessé de croitre depuis son apparition au début des années 70. De nos jours, l'utilisation de cette technique est devenue incontournable, grâce entre autres à sa capacité à produire des images diagnostiques de haute qualité. Toutefois, et en dépit d'un bénéfice indiscutable sur la prise en charge des patients, l'augmentation importante du nombre d'examens TDM pratiqués soulève des questions sur l'effet potentiellement dangereux des rayonnements ionisants sur la population. Parmi ces effets néfastes, l'induction de cancers liés à l'exposition aux rayonnements ionisants reste l'un des risques majeurs. Afin que le rapport bénéfice-risques reste favorable au patient il est donc nécessaire de s'assurer que la dose délivrée permette de formuler le bon diagnostic tout en évitant d'avoir recours à des images dont la qualité est inutilement élevée. Ce processus d'optimisation, qui est une préoccupation importante pour les patients adultes, doit même devenir une priorité lorsque l'on examine des enfants ou des adolescents, en particulier lors d'études de suivi requérant plusieurs examens tout au long de leur vie. Enfants et jeunes adultes sont en effet beaucoup plus sensibles aux radiations du fait de leur métabolisme plus rapide que celui des adultes. De plus, les probabilités des évènements auxquels ils s'exposent sont également plus grandes du fait de leur plus longue espérance de vie. L'introduction des algorithmes de reconstruction itératifs, conçus pour réduire l'exposition des patients, est certainement l'une des plus grandes avancées en TDM, mais elle s'accompagne de certaines difficultés en ce qui concerne l'évaluation de la qualité des images produites. Le but de ce travail est de mettre en place une stratégie pour investiguer le potentiel des algorithmes itératifs vis-à-vis de la réduction de dose sans pour autant compromettre la qualité du diagnostic. La difficulté de cette tâche réside principalement dans le fait de disposer d'une méthode visant à évaluer la qualité d'image de façon pertinente d'un point de vue clinique. La première étape a consisté à caractériser la qualité d'image lors d'examen musculo-squelettique. Ce travail a été réalisé en étroite collaboration avec des radiologues pour s'assurer un choix pertinent de critères de qualité d'image. Une attention particulière a été portée au bruit et à la résolution des images reconstruites à l'aide d'algorithmes itératifs. L'analyse de ces paramètres a permis aux radiologues d'adapter leurs protocoles grâce à une possible estimation de la perte de qualité d'image liée à la réduction de dose. Notre travail nous a également permis d'investiguer la diminution de la détectabilité à bas contraste associée à une diminution de la dose ; difficulté majeure lorsque l'on pratique un examen dans la région abdominale. Sachant que des alternatives à la façon standard de caractériser la qualité d'image (métriques de l'espace Fourier) devaient être utilisées, nous nous sommes appuyés sur l'utilisation de modèles d'observateurs mathématiques. Nos paramètres expérimentaux ont ensuite permis de déterminer le type de modèle à utiliser. Les modèles idéaux ont été utilisés pour caractériser la qualité d'image lorsque des paramètres purement physiques concernant la détectabilité du signal devaient être estimés alors que les modèles anthropomorphes ont été utilisés dans des contextes cliniques où les résultats devaient être comparés à ceux d'observateurs humain, tirant profit des propriétés de ce type de modèles. Cette étude a confirmé que l'utilisation de modèles d'observateurs permettait d'évaluer la qualité d'image en utilisant une approche basée sur la tâche à effectuer, permettant ainsi d'établir un lien entre les physiciens médicaux et les radiologues. Nous avons également montré que les reconstructions itératives ont le potentiel de réduire la dose sans altérer la qualité du diagnostic. Parmi les différentes reconstructions itératives, celles de type « model-based » sont celles qui offrent le plus grand potentiel d'optimisation, puisque les images produites grâce à cette modalité conduisent à un diagnostic exact même lors d'acquisitions à très basse dose. Ce travail a également permis de clarifier le rôle du physicien médical en TDM: Les métriques standards restent utiles pour évaluer la conformité d'un appareil aux requis légaux, mais l'utilisation de modèles d'observateurs est inévitable pour optimiser les protocoles d'imagerie. -- Computed tomography (CT) is an imaging technique in which interest has been quickly growing since it began to be used in the 1970s. Today, it has become an extensively used modality because of its ability to produce accurate diagnostic images. However, even if a direct benefit to patient healthcare is attributed to CT, the dramatic increase in the number of CT examinations performed has raised concerns about the potential negative effects of ionising radiation on the population. Among those negative effects, one of the major risks remaining is the development of cancers associated with exposure to diagnostic X-ray procedures. In order to ensure that the benefits-risk ratio still remains in favour of the patient, it is necessary to make sure that the delivered dose leads to the proper diagnosis without producing unnecessarily high-quality images. This optimisation scheme is already an important concern for adult patients, but it must become an even greater priority when examinations are performed on children or young adults, in particular with follow-up studies which require several CT procedures over the patient's life. Indeed, children and young adults are more sensitive to radiation due to their faster metabolism. In addition, harmful consequences have a higher probability to occur because of a younger patient's longer life expectancy. The recent introduction of iterative reconstruction algorithms, which were designed to substantially reduce dose, is certainly a major achievement in CT evolution, but it has also created difficulties in the quality assessment of the images produced using those algorithms. The goal of the present work was to propose a strategy to investigate the potential of iterative reconstructions to reduce dose without compromising the ability to answer the diagnostic questions. The major difficulty entails disposing a clinically relevant way to estimate image quality. To ensure the choice of pertinent image quality criteria this work was continuously performed in close collaboration with radiologists. The work began by tackling the way to characterise image quality when dealing with musculo-skeletal examinations. We focused, in particular, on image noise and spatial resolution behaviours when iterative image reconstruction was used. The analyses of the physical parameters allowed radiologists to adapt their image acquisition and reconstruction protocols while knowing what loss of image quality to expect. This work also dealt with the loss of low-contrast detectability associated with dose reduction, something which is a major concern when dealing with patient dose reduction in abdominal investigations. Knowing that alternative ways had to be used to assess image quality rather than classical Fourier-space metrics, we focused on the use of mathematical model observers. Our experimental parameters determined the type of model to use. Ideal model observers were applied to characterise image quality when purely objective results about the signal detectability were researched, whereas anthropomorphic model observers were used in a more clinical context, when the results had to be compared with the eye of a radiologist thus taking advantage of their incorporation of human visual system elements. This work confirmed that the use of model observers makes it possible to assess image quality using a task-based approach, which, in turn, establishes a bridge between medical physicists and radiologists. It also demonstrated that statistical iterative reconstructions have the potential to reduce the delivered dose without impairing the quality of the diagnosis. Among the different types of iterative reconstructions, model-based ones offer the greatest potential, since images produced using this modality can still lead to an accurate diagnosis even when acquired at very low dose. This work has clarified the role of medical physicists when dealing with CT imaging. The use of the standard metrics used in the field of CT imaging remains quite important when dealing with the assessment of unit compliance to legal requirements, but the use of a model observer is the way to go when dealing with the optimisation of the imaging protocols.

Urban image classification with semisupervised multiscale cluster kernels

This paper presents a semisupervised support vector machine (SVM) that integrates the information of both labeled and unlabeled pixels efficiently. Method's performance is illustrated in the relevant problem of very high resolution image classification of urban areas. The SVM is trained with the linear combination of two kernels: a base kernel working only with labeled examples is deformed by a likelihood kernel encoding similarities between labeled and unlabeled examples. Results obtained on very high resolution (VHR) multispectral and hyperspectral images show the relevance of the method in the context of urban image classification. Also, its simplicity and the few parameters involved make the method versatile and workable by unexperienced users.

Autonomie et vulnérabilité : état des lieux et essai d'articulation

Résumé Ce travail a commencé avec une confrontation entre les pensées de P. Ricoeur et E. Levinas sur le thème du rapport à autrui, cette confrontation portant particulièrement sur la place accordée par Levinas, dans son éthique, au thème de la vulnérabilité (ainsi que sur celui de la passivité), tandis que P. Ricoeur reste, selon moi, prioritairement un philosophe de l'activité et qui met, dans la question du rapport à autrui, l'accent sur la reconnaissance de l'autre dans l'empire de ses capacités. Ce débat, et les points qui retenaient en particulier mon attention, m'ont semblé pouvoir être inséré dans le contexte plus large d'une opposition entre éthique de l'autonomie et éthique de la vulnérabilité sur la base de lectures que j'effectuais par ailleurs dans le domaine des éthiques féminines, ou de ce que l'on appelle les éthiques du « care ». Les éthiques féminines, qui se sont développées les 30 dernières années, veulent revenir sur ce qu'elles identifient comme le modèle anthropologique de la modernité, qui privilégie une approche de l'homme en termes d'activité, de rationalité et d'autonomie au mépris d'autres traits comme la passivité, l'affectivité, la dépendance ou la vulnérabilité. Sans nier la rationalité ou l'autonomie de l'homme, elles veulent plutôt compléter une image qu'elles considèrent comme étant incomplète. Sur la base de leur anthropologie alternative, les auteurs qui appartiennent à ce courant proposent une nouvelle définition de l'éthique. Les éthiques du « care » se situent d'une manière générale dans une relation critique avec les éthiques de la justice comme avec les conceptions de l'agent et du patient moral héritées de la philosophie kantienne. Disons brièvement que, plutôt que de faire de l'autonomie et de son respect l'axe de leur réflexion morale, les éthiciennes du « care » insistent sur la signification morale de nos rapports de responsabilité ou de sollicitude à l'égard des personnes vulnérables. Dans la première partie de ma thèse, je reviens sur la genèse de la notion d'autonomie dans la philosophie morale et politique de la pré-modernité, en mettant le développement de ce concept en lien non seulement avec ce que J. Scheewind appelle les « morales de l'autogouvernement », mais aussi avec la naissance des philosophies du sujet et un mouvement général d'intériorisation des sources morales. J'essaye ensuite de dégager le sens de l'idée d'autonomie, sur la base de la notion de liberté positive élaborée par Berlin, avant de distinguer ses différentes significations (autonomie politique, personnelle, morale/autonomie procédurale vs substantielle, autonomie comme capacité, comme droit ou comme idéal). Je me concentre particulièrement sur la conception hiérarchique de l'autonomie personnelle développée par Frankfurt et Dworkin, avant de revenir à la conception kantienne de l'autonomie morale. Je consacre ensuite une section aux conceptions relationnelles de l'autonomie, ce qui me permet de faire le lien avec le thème de la vulnérabilité. Pour le développement historique de cette notion dans la pensée contemporaine, j'insiste, outre sur les éthiques du « care », sur les développements de la bioéthique et la philosophie de H. Jonas. Après un travail de définition du concept de vulnérabilité, j'élabore les éléments d'une éthique de la vulnérabilité que j'essaie d'articuler à la notion d'autonomie. Dans la deuxième partie, je confronte les éthiques de Ricoeur et de Levinas dans la perspective de l'opposition autonomie/vulnérabilité, en montrant leurs limites respectives.

A Survey of Active Learning Algorithms for Supervised Remote Sensing Image Classification

Defining an efficient training set is one of the most delicate phases for the success of remote sensing image classification routines. The complexity of the problem, the limited temporal and financial resources, as well as the high intraclass variance can make an algorithm fail if it is trained with a suboptimal dataset. Active learning aims at building efficient training sets by iteratively improving the model performance through sampling. A user-defined heuristic ranks the unlabeled pixels according to a function of the uncertainty of their class membership and then the user is asked to provide labels for the most uncertain pixels. This paper reviews and tests the main families of active learning algorithms: committee, large margin, and posterior probability-based. For each of them, the most recent advances in the remote sensing community are discussed and some heuristics are detailed and tested. Several challenging remote sensing scenarios are considered, including very high spatial resolution and hyperspectral image classification. Finally, guidelines for choosing the good architecture are provided for new and/or unexperienced user.

MSight: an image analysis software for liquid chromatography-mass spectrometry.

Images obtained from high-throughput mass spectrometry (MS) contain information that remains hidden when looking at a single spectrum at a time. Image processing of liquid chromatography-MS datasets can be extremely useful for quality control, experimental monitoring and knowledge extraction. The importance of imaging in differential analysis of proteomic experiments has already been established through two-dimensional gels and can now be foreseen with MS images. We present MSight, a new software designed to construct and manipulate MS images, as well as to facilitate their analysis and comparison.

L'image de la Suisse à l'étranger

L'image qu'un pays a dans le monde est importante à plusieurs titres. Elle peut soutenir la commercialisation de biens et de services exportés, elle revêt un caractère tout particulier dans le cadre des promotions touristique et économique et elle peut aussi être de nature à contribuer aux relations qu'un pays entretient avec d'autres pays aux niveaux politique, économique ou culturel. L'image de la Suisse a fait l'objet d'études dans de nombreux pays, dont les Etats-Unis, l'Allemagne et la Chine, auprès d'échantillons représentatifs de la population ainsi qu'auprès de groupes de leaders d'opinion et cet ouvrage présente de manière synthétique les principaux résultats de ces études. Après une description de l'image globale de la Suisse auprès des personnes interrogées et une analyse des associations faites à l'évocation de la Suisse, une partie importante est consacrée aux dimensions qui caractérisent l'image du pays en différenciant notamment entre les dimensions liées à la Suisse en tant qu'espace socioculturel et les dimensions liées aux aspects économiques. Pour terminer, un dernier chapitre analyse l'impact de faits ayant marqué l'actualité helvétique, comme le grounding de Swissair, sur l'image de la Suisse dans les pays étudiés.